基于流固耦合的加劲梁上部翼板颤振主动控制分析

针对目前悬索桥加劲梁气动翼板颤振主动控制数值计算方法的局限性,提出采用流固耦合方法对加劲梁上部气动翼板的颤振控制进行分析。通过对Fluent软件二次开发,建立加劲梁-气动翼板系统流固耦合数值仿真计算模型,分析桥梁的颤振性能。以大贝尔特东桥为背景,采用流固耦合方法分析加劲梁上部设置气动翼板前、后该桥的颤振临界风速,研究气动翼板角速度对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥颤振临界风速的数值仿真计算结果(72.0~74.0m/s)和节段模型风洞试验结果(70.0~72.9m/s)吻合较好;加劲梁上部设置气动翼板后,当前气动翼板与加劲梁扭转方向相反、后气动翼板与加劲梁扭转方向相同时,能显著提高加劲梁颤振临界风速;加劲梁最大扭转角随气动翼板角速度的增大逐渐减小。     

桥下净空对大跨度桥梁颤振稳定性的影响研究

为研究桥下净空对桥梁颤振稳定性的影响,基于CFD数值仿真技术,识别了在多种桥下净空工况下大带东桥的颤振导数和颤振临界风速。研究表明:每个工况下的气动导数曲线趋势与试验结果基本吻合,没有随着桥下净空的改变而出现大的波动,边界对耦合气动负阻尼和扭转自身正阻尼影响有限;在桥梁抗风设计和抗风试验值中,可不考虑桥下净空振稳定性的影响。     

桥梁颤振导数识别及颤振分析的不确定性研究

由于风洞试验和理论模型的各种不确定性，通过风洞试验获得的颤振导数及相应的颤振临界风速存在不确定性。为了量化这些不确定性，提出了一种创新的近似贝叶斯方法。该方法通过抽样和模拟来近似表达似然函数，从而实现颤振导数的准确识别和不确定性量化。同时，还研究了颤振导数不确定性在颤振分析中的传播情况。采用子集模拟技术与近似贝叶斯方法相结合，以提高参数后验样本的抽样效率。该方法不仅能够获得颤振导数和颤振临界风速的最优估计，还能获得其后验概率分布。通过理想平板数值模拟和实桥主梁断面风洞试验，验证了该方法的有效性，并将其与传统最小二乘法进行了比较。研究结果显示：该方法得到的颤振导数最优估计与最小二乘法结果非常接近；在低风速下，所有导数的不确定性都较小，而在中高风速情况下，大多数导数都具有较大的不确定性，尤其是接近颤振临界风速时，所有导数的不确定性均较大；颤振导数的不确定性会在颤振分析中传播，导致颤振临界风速也存在较大的不确定性。所提出的近似贝叶斯方法能够准确识别颤振导数，并量化其不确定性，从而实现桥梁颤振性能的概率性评价；为桥梁颤振分析提供了新的思路，为确保桥梁的抗风安全提供了有力支持。     

Ⅱ型主梁断面颤振导数的神经网络预测

为了提高桥梁颤振临界风速以及颤振导数在初步设计阶段的预估工作效率,本文在风洞试验和CFD计算的基础上,结合神经网络技术,建立一种基于神经网络的快速预测Ⅱ型断面颤振导数的方法。研究结果表明,预测结果具有高精度,与数值模拟结果相近。     

悬索桥板式加劲梁气动稳定性试验与数值研究

基于在建的乌江大桥板式加劲梁,进行了风洞强迫振动试验和数值模拟,识别了多个攻角下的颤振导数。研究结果表明,基于合理的网格划分,采用数值模拟的方法能正确识别攻角下的颤振导数;攻角对重要的颤振导数影响明显,大攻角会对板式加劲梁的气动稳定性带来不利影响。     

三种典型主梁断面的悬索桥颤振性能差异

为了揭示主梁基本气动外形对悬索桥颤振性能的影响,以一座大跨悬索桥为例,分别选取流线型箱型、边箱型与分离式双箱型3种典型断面作为大桥主梁的基本气动外形。采用强迫振动法并基于CFD数值模拟获取各断面的气动参数,并采用阶跃函数法建立主梁的气动自激力时域模型;然后利用ANSYS平台进行全桥时域颤振有限元分析,得到各断面对应的颤振临界风速与颤振频率。结果表明：分离式双箱断面的颤振性能最佳,其颤振临界风速达到109.6 m/s,远高于其他2种断面;流线型断面与边箱型断面的颤振临界风速分别为89.4 m/s与86.9 m/s,两者的颤振性能相差不大;由频谱及相位分析可知,3种断面的颤振频率介于竖弯与扭转基频之间,颤振形式表现为不同程度的扭弯耦合振动。     

基于CV Newmark-β法的桥梁风致振动FSI数值模拟

为求解桥梁断面风致振动问题,首先介绍了两类数值微分方程解法,然后以Ansys Fluent为计算平台,通过嵌入自定义函数的方法实现了流线型桥梁断面的流固耦合数值模拟。通过理论推导发现,通过以常规的Newmark-β法嵌入UDF来驱动桥梁断面附近网格做刚体运动建立起的流固耦合计算模型计算得到的位移,与Fluent程序中网格更新的实际位移不一致,因而提出了一种修正速度的Newmark-β法以消除这种误差效应,并且建立了相应的桥梁断面流固耦合计算模型。针对某具体桥梁断面分别采用以常规Newmark-β法和修正速度的Newmark-β法建立的流固耦合计算模型,进行了低风速下和高风速下的桥梁断面风致振动数值模拟。研究表明:断面小振幅运动下不同计算模型获得的位移时程曲线基本吻合,以常规的Newmark-β法计算获得的位移与网格运动的真实位移之间的误差较小,低风速下这种算法与网格真实运动之间的位移不匹配效应产生的误差可以忽略;高风速桥梁断面大振幅颤振下不同计算模型获得的位移时程曲线差距较大,以常规的Newmark-β法建立起的流固耦合计算模型计算获得的位移与网格真实运动之间的位移不一致效应造成的误差不可忽略;低风速和高风速下以修正速度的Newmark-β法建立起的流固耦合计算模型获得的位移均与程序中网格真实运动位移一致。进行桥梁断面风致振动CFD数值模拟颤振问题时,应尤其注意处理这种位移误差效应,以建立合理的流固耦合计算模型。     

气动力矩阵和气动导数对桥梁颤振稳定性的影响

采用集中气动力矩阵和一致气动力矩阵2种不同形式的气动力矩阵,并利用4种不同截面的气动导数研究了气动力矩阵对颤振临界状态的影响;采用理想平板的气动导数研究了各气动导数对颤振临界状态的影响。结果表明:采用集中气动力矩阵可降低颤振临界风速,使结果偏于保守;各气动导数对量纲一的风速和颤振临界风速均有一定影响,而对颤振频率影响较小,从而进一步证实了采用流线型断面形式的桥梁,其颤振形态是弯扭耦合的经典颤振。     

扁平箱梁颤振计算公式中联合折减系数的量化研究

扁平箱梁已广泛应用于大跨度桥梁的主梁设计中，其颤振性能通常会借助物理和数值风洞的方法获得，测试周期长、费用高。尽管采用颤振计算公式可以简便计算扁平箱梁的颤振临界风速，但当前公式中未考虑扁平箱梁气动外形和来流攻角的具体影响，计算误差较大，无法用于实际工程设计。为了提升颤振计算公式中联合折减系数的准确度，利用节段模型风洞试验开展气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振性能影响的研究。在分析各种气动构件和外形参数对扁平箱梁颤振性能的影响后，确定以斜腹板倾角和宽高比为气动外形变量，设计制作3组12个节段模型，分别在5个风攻角下测试了有栏杆扁平箱梁的颤振性能。在此基础上，根据节段模型风洞试验获得的颤振临界风速，结合弯扭耦合颤振闭合解计算公式，量化了气动外形和风攻角变化对扁平箱梁颤振的影响，给出不同条件下扁平箱梁颤振计算公式中的联合折减系数。最后，基于实际桥梁的颤振临界风速算例，验证利用联合折减系数计算颤振临界风速的准确性和适用性。研究结果表明：在0°风攻角和正风攻角下，当扁平箱梁的宽高比分别为11，9时，斜腹板倾角的减小有利于颤振临界风速提高，宽高比为7时，斜腹板倾角对颤振临界风速没有影响；在负风攻角下，3组宽高比模型斜腹板倾角的减小均会引起扁平箱梁颤振临界风速的降低；联合折减系数与扁平箱梁截面的颤振性能正相关，可直接反映其颤振性能，相对于目前《公路桥梁抗风设计规范》中扁平箱梁颤振临界风速计算时的固定折减系数，该系数能够具体和准确反映气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振的影响，可以结合颤振计算公式快速、准确地计算出大跨度桥梁颤振临界风速。     

神经网络驱动的桥梁主动气动翼板颤振智能控制优化

通过风洞试验和数值模拟获得主动气动翼板优化控制参数需要庞大的试验和计算成本，并且难以得到最优的翼板控制参数。基于流线箱梁主动气动翼板颤振控制的风洞试验数据，以翼板与主梁扭转运动相位差为输入，颤振临界风速变化比例为输出建立BP人工神经网络模型，对神经网络进行训练得到了主动气动翼板颤振临界风速预测关系。结果表明：预测输出值和实际值之间误差为5%左右，相关系数为0.965;使用训练得到的人工神经网络模型以1°增量对0°～360°范围内的气动翼板相位差进行遍历计算，得到了两侧翼板相位差对主梁-翼板系统颤振性能的影响规律，当迎风侧翼板相位差位于180°～360°内时系统颤振性能得以提高，最优参数组合为迎风翼板相位差231°,背风侧翼板相位差63°;利用获得的最优气动翼板相位差参数组合，建立了主梁-翼板系统流固耦合模型，对试验和神经网络模型的最优参数的颤振控制效果进行验证，证明了神经网络对颤振控制预测的准确性。提出的通过数据量较少的试验数据训练构建人工神经网络模型，构建预测主梁-翼板系统颤振性能的理论框架，显著改善了颤振控制效果，实现了高精度主动气动翼板颤振的优化控制。     

设置中央稳定板对大跨度悬索桥抗风性能的影响

在润扬长江公路大桥南汊悬索桥的节段模型风洞试验中,研究了稳定板高度对动力抗风稳定性的影响,采用了增设0.65 m高中央稳定板的有效措施,并获得了原断面和增设中央稳定板断面的气动导数和三分力系数;采用非线性静风和颤抖振时域方法,研究了设置中央稳定板对静动力抗风性能影响。结果表明,恰当地设置中央稳定板,不仅能够提高桥梁的颤振临界风速,还能够降低结构的抖振响应,而结构的静风失稳风速在正攻角下有所降低。     

基于Volterra理论的扁平箱梁气动力非线性特性研究

为了研究扁平箱梁断面气动力系统的非线性特性,采用Volterra理论和CFD方法,对丹麦大带东桥主桥加劲梁断面的气动力特性进行研究。利用脉冲激励模型分别作竖弯和扭转运动,并基于CFD一次数值模拟,对大带东桥扁平箱梁断面气动力系统的Volterra级数核进行识别,建立扁平箱梁断面气动力系统的非线性离散时间Volterra级数模型,该模型可以快速给出任意简谐激励下的气动力响应,无需耗时很久的CFD模拟。分别基于竖弯和扭转向的强迫简谐位移激励,使用Volterra级数气动力模型对大带东桥扁平箱梁断面的气动力系统进行仿真,将得到的仿真时程与CFD模拟结果进行对比,分析振动频率和幅值对扁平箱梁断面气动力系统非线性特性的影响。结果表明：忽略二阶及以上非线性高阶项得到的Volterra级数模型给出的气动力估计与CFD模拟差别很小;扁平箱梁断面气动力的高阶非线性效应较小,其为弱气动力非线性系统;在研究的强迫运动位移幅值和频率范围内,扁平箱梁断面的气动力模型响应没有表现出对振动幅值和频率的显著相关性,且仿真值与CFD模拟值的最大相对精度误差不超过10%。     

大跨度悬索桥中央开槽箱梁断面的颤振性能

以建成后将成为世界最大跨径的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥为例，通过节段模型风洞试验、CFD数值模拟和理论计算对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能进行研究，分析了开槽宽度和箱梁内外侧局部气动外形的改变对中央开槽箱梁断面颤振稳定性能的影响。研究结果表明：开槽宽度对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能影响显著；箱梁内外侧局部气动外形的改变也会对结构颤振性能产生一定的影响，而且影响规律更为复杂。     

扁平箱梁颤振后状态的振幅依存性研究

以舟岱通道大桥扁平箱梁断面为对象，通过节段模型风洞试验详细测试了该断面在风速超过颤振临界点后，振幅随风速变化的颤振后振动特性。基于变振幅的运动时程，阐释了气动阻尼、相位差及颤振导数等参数的振幅依存特性，提出了变振幅条件下的各参数的识别方法，指出了影响扁平箱梁颤振后特性的主要因素，并利用耦合颤振闭合解法进行了验证。研究结果表明：扁平箱梁在颤振后的振动过程中，气动阻尼具有明显的振幅依存性，相位差的振幅依存性较弱，振幅比基本不具有振幅依存性；颤振导数A₂^*随振幅变化而显著变化，是影响气动阻尼改变的最主要因素，其余颤振导数具有一定的振幅依存性，但对气动阻尼的影响较小。最后从气动阻尼随振幅变化的角度初步阐释了扁平箱梁在颤振后发生不同振动现象的动力学机理，并从气动阻尼曲线存在多个零点的角度解释了扁平箱梁在同一风速下具有多个稳定振幅点的可能性。     

提高广州珠江黄埔大桥悬索桥颤振临界风速的研究

改善抗风稳定性能是大跨度悬索桥设计和建造中的一个重要课题。由初步设计与施工图设计阶段模型试验的结果对比可知,调整结构的气动外形和整体刚度,能改善广州珠江黄埔大桥悬索桥的颤振稳定性能。     

大跨桥梁颤振分析理论研究进展

随着悬索桥跨径朝向2 000 m级发展，由大攻角和大振幅引起的结构非线性和气动力非线性影响突出，颤振设计面临着前所未有的挑战。传统的桥梁颤振计算理论及方法已无法满足大跨度及超大跨度桥梁的抗风设计需求，亟需发展桥梁非线性颤振计算理论与方法。在扼要回顾线性颤振理论研究成果的基础上，对近年国内外关于桥梁非线性颤振的研究进展及主要成果进行了总结，介绍了非线性自激气动力的研究成果和几种典型的非线性自激气动力模型，并根据桥梁断面气动力随振幅变化的非线性特性，重点介绍了2种不同类型的非线性耦合颤振计算方法，其有效性和准确性均通过风洞试验进行了验证。需要指出的是，气动力的振幅依存性是大跨度桥梁颤振后状态研究的关键所在，尤其是计入耦合效应的高次谐波气动力的振幅依存性。基于目前的研究进展，确定了三维和多模态非线性颤振计算方法，任意运动及紊流下非线性气动力建模和非线性颤抖振理论，以及如何科学制定"软颤振"的评价标准是未来需要重点开展的几项工作。     

窄悬索桥气动稳定性的风洞试验研究

对于处于西部山区复杂风环境中的窄悬索桥,为了确保其气动稳定性及研究提高气动稳定性的措施,制作了弹簧悬挂模型在长安大学CA-1风洞实验室中进行风洞试验.试验结果表明,该桥气动不稳定,必须改变原始设计以提高结构刚度、确保结构安全.考虑到桥梁使用功能和构造的限制,对原桥采取增加抗风缆和中央扣等措施,并对增加了措施的模型重新进...     

三汊矶大桥颤振稳定性的风洞试验与研究

长沙三汊矶湘江大桥为5跨连续双塔自锚式悬索桥，主跨328m。该桥设计新颖，结构特殊，湖南大学风工程试验研究中心对其进行了详细的抗风性能研究。介绍了该桥的设计基本情况、三汊矶大桥节段模型和全桥模型风洞试验情况。抗风研究表明，三汊矶大桥在成桥运营阶段具备足够的颤振稳定性。